核動力火箭，30天到達火星？

最近，國外媒體報道，美國宇航局的工程師正計劃建造核裂變裝置，以作為宇宙飛船的主要動力，科學家認為，如果我們使用核動力火箭飛往火星，只需要30天時間。

在很多人的眼中，核能最成熟的運用就是核電站，那麼，只能發電的反應堆，又是如何用在火箭上的呢？

並非新鮮事物

核動力火箭，並非現在才提出來的新概念。早在20世紀初，得知居里夫婦提煉出放射性元素鐳之後，俄國航天之父齊奧爾科夫斯基就預言：「一噸重的火箭只要用一小撮鐳，就足以掙斷與太陽系的一切引力聯繫。」

後來，美國還在緊鑼密鼓研製第一顆原子彈時，曼哈頓計劃的主要領導者之一，有原子彈之父的費米，就給那些正在研製原子彈的科學家說，你們除了研製原子彈，也不要忘了研究以核作為動力的可行性。最後，美國人和蘇聯人還真是上馬了核動力飛機的計劃，1957年，美國人又開始了核火箭的研製——獵戶座核火箭計劃

獵戶座核火箭計劃

這是一個現在看來相當瘋狂的計劃，即使出現在科幻小說中，也會給人一種異想天開的感覺，因為它是採用原子彈爆炸的方式給火箭提供動力，具體原理是這樣的。

使用一顆顆小當量原子彈在火箭尾部相繼爆炸，火箭後面安裝一個推進盤，吸收爆炸的衝擊波以推動火箭前進。

獵戶座核火箭升空示意圖

其升空過程就像海洋里的水母，一下一下的，每扔掉一顆原子彈，火箭就向上竄出一段距離。

根據設想，在起飛階段，每秒引爆一顆100噸TNT當量的小型原子彈，當火箭到達一定速度和高度後，引爆速率下降到每10秒一枚，由於已經遠離地面，此時引爆的是2萬噸當量的核彈。

研究人員現場實驗照片

研究人員使用常規炸彈實驗照片

另一個對環境更友好的方式是，先用多根火箭把飛船升到一定高度，然後再盡情地拋出核彈。

用常規火箭升空

獵戶座核火箭發射過程

顯然，使用小當量核彈爆炸以提供動力，這能達到極高的速度。1958年，美國核科學家泰勒設想，如果在大氣層外每顆原子彈的爆炸當量為2000噸TNT，那麼引爆50顆這樣的原子彈後，飛船的最大速度可達70千米/秒。

核火箭在外太空前進簡單示意圖

現在回過頭去看，獵戶座核火箭計劃實在是過於瘋狂，但在當時的環境下，其實也是可以理解的。從1945年7月16日美國進行世界上首次核試驗到1989年底，各國共進行了2000多次核試驗。這其中，美、蘇兩國核試驗次數約佔總數的80％。

既然都進行那麼多次核試驗了，而且還是大當量的，那麼用很多小當量核彈發射火箭又有何不可呢？另外，獵戶座核火箭計劃還有一個在那時聽上去很美好的借口：把美蘇巨大核武庫中的核材料充分利用起來，為人類探索宇宙做貢獻。

1963年，《禁止在大氣層和外層空間進行核試驗條約》生效，獵戶座核火箭計劃也隨之走到了終點。

核熱火箭

跟瘋狂的「獵戶座核火箭」比起來，核熱火箭對環境的破壞要小得多。它是在火箭上安裝一個小型反應堆，利用反應堆產生的高溫，通常是3000k左右，接著利用高溫加熱液態氫，液態氫被反應堆加熱後，體積急劇膨脹，從火箭尾部噴出，產生反推力。核熱火箭具有推力大、比沖高、可多次啟動等優點。

核熱火箭的工作原理跟常規火箭發動機相似，唯一不同的是，核熱火箭用核反應堆取代了液體火箭中的化學燃燒。

熱核火箭簡單示意圖

如圖中所示，在渦輪泵的帶動下，液體氫通過管子流到反應堆中，液體氫被加熱後，高速向噴口噴出，同時有一部分氣體通過管子流到渦輪泵，給渦輪泵提供動力。

核熱火箭之所以選用氫，是因為氫氣具有優異的導熱性能，在高溫下容易分解為原子氫，並吸收大量的熱量，它的導熱性能可與金屬材料相媲美，是最好的冷卻介質之一，同時由於其分子量小，相同質量的氣體中，氫氣的體積最大。

發動機的動力大小可以通過控制棒進行調節，當控制棒插入時，中子流減少，反應速率降低，動力變小；當控制棒抽出時，中子流增加，動力也隨之變大。

早在1946年，美國空軍和美國航空航天局就開始了對核熱推進技術的研究，而在火箭推進中，最著名的是Rover計劃和NERVA計劃，在1955年到1968年間美國就投資了15億美元。

1967年12月1日，美國內華達州，第一個地面實驗核火箭發動機組裝。

NERVA熱核火箭發動機測試場景

因為耗資巨大，而NASA的1969年預算又遭到了國會的削減，種種困難下，核熱火箭項目在1972年被中止。

核電火箭

核電火箭是利用反應堆產生高溫，通過熱電轉換，得到穩定電源後，把氣體電離，通過強大的電場力將帶電的離子加速，使離子高速後噴出，以反作用力推動飛行器。

把氣體電離，不光可以用核能，還可以用太陽能，一般，用太陽能提供電力的推進器叫「離子推進器」，而目前，離子推進器應用最廣，相對來說最成熟，從歐空局的「SMART-1」月球探測器，到探索穀神星與灶神星的曙光號，還有在太陽飛行了六十億千米的「隼鳥號」等等，都是採用離子推進器。

「SMART-1」上的離子發動機

然而，利用太陽能的離子推進器有一個缺點，不能離太陽太遠，這要是飛到冥王星或者衝出太陽系，太陽能就指望不上了，這時，還是只有核能可以依靠。

從木星開始，天空中的太陽看上去視角就已經很小了，利用太陽能不現實。

雖然核能的利用不怎麼受待見，但是對於太空探索，星際旅行，核能幾乎是未來唯一的可行方式。「旅行者1號」雖然已離開太陽系，闖入了星際空間，但它是無人的。另外，「旅行者1號」長久以來之所以還能與地球通訊，也全靠它上面的兩枚核電池。所以，未來的太空探索，要想大大超越現今的成績，核能也許是唯一的選擇。

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